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发表于 2020-6-30 08:57:45 | 显示全部楼层 |阅读模式

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新型电动轻卡底盘车架设计

王成昆,王东旭

(苏州奥杰汽车技术股份有限公司,江苏 苏州 215000)

【中国汽车材料网】摘 要:目前电动轻卡车架常见结构是大梁式和大规格管梁焊接式,大梁式沿袭了卡车车架设计,电池包拓展性较差,缺乏正向有针对性的设计。大规格管梁焊接式车架所需物料种类较多,焊接端面无法保证齐整,生产难度较大且整车力学性能较差。文章介绍了一种新型电动轻卡底盘车架,为电动轻卡车架设计提供了一种方案,其模块化设计对提高生产效率和车型拓展具备优势,同时全承载式结构具备较高的强度。
关键词:电动轻卡;大梁式;全承载;模块化
前言
电动轻卡顾名思义是指纯电驱动的轻型载货汽车,底盘车架是轻型载货车辆所有零部件的搭载主体,整车所有的重量最终都作用于底架上。加之在行驶过程中会遇到各种工况,故车架所受到的力是及其复杂的。因此必须具有足够的强度和刚度以承受车辆的载荷和从车轮传来的冲击[1-2]。

1 电动轻卡底盘车架现状
目前市场上轻型载货汽车所采用的车架,大多都是在卡车车架基础上改制,对轴距和总长以及材料厚度等方面做改变。对于轻卡车架的设计尹民鑫[3]等曾做了设计流程方面的介绍,其介绍的车架即为目前主流的大梁式车架。该结构主要由两根主纵梁和若干中间横梁通过铆接而构成的坚固刚性构架。其主纵梁厚度一般采用厚度为4-6mm的汽车大梁板510L,通过冲压或者辊压成型。中间横梁一般采用铆接,左右牛腿有铆接也有采用高强度螺栓连接,该种设计在商用车上的应用已经非常成熟。目前市场上的燃油轻卡、中卡、重卡基本全部采用这种结构。只是重卡车架纵梁厚度一般取6-10mm,材料为20、25、16Mn,10TiL等钢板制作。
纵梁的加工工艺目前应用较多的是:纵剪线—辊型线—数控冲孔—数控折弯—机械手切割—抛丸,该工艺以高柔性化在市场中得到广泛应用。中间横梁一般采用压力机、模具加工。车架总成的铆接方式最初是自由铆接,现在为保证精度一般采用胎具铆接。整个制造过程对设备以及模具精度等要求比较严格[4-5]。
当拓展为纯电驱动时,因受限于续航里程,一般用途是市区物流配送。电池的布置常见的方式是侧挂在主纵梁两边,也有放置在主纵梁中间。而电机的放置也分前置和后置,视车型配置而定。整个三电部件安装一般位于地板面以下,货箱通过副车架(地板骨架)与底架相连接。整车外形和传统燃油轻卡基本保持一致。
其底盘车架常见的的布置如图1所示,图中所取为南京依维柯TDV40纯电动物流车底架。
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图1 依维柯纯电动物流车大梁式底架结构

上图所示的只是目前市场上常见的电动物流车的底架结构。与之类似的中国一汽的吴庆[6]等人设计了一种纯电动物流车底盘。如下图2所示,该结构的独特之处在于可配置液压升降尾板,电机+AMT+取力器的动力系统,比较容易实现液压升降尾板的功能;苏州奥杰汽车的宿佳敏[7]等人设计的一款电动卡车车架底盘,特点是电机中置,电池侧挂与主纵梁两侧;孙立明[8]等人也设计了一种模块化布置的电动物流车底盘;此外东风柳汽的区锦文[9]等也设计了一种快递物流车的车架,该车架主要用于配置发动机的物流车。其槽形大梁采用264×75×6mm规格,材料屈服强度大于750Mpa,左右主纵梁外宽940mm。
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图2 中国一汽设计的纯电动物流车底盘结构


目前市场上除了上述主流的大梁式结构外,还有另外一种结构的电动轻卡车架。即管梁焊接式结构,由于其前、后段所用管梁规格一般都较大,一般主管梁材料取Q345,断面为100mm*50mm或者80mm*40mm,其他管梁则一般使用40mm*40mm等其他小规格,故暂称之为大规格管梁式车架,其本质上是三段式承载结构的一种衍生。该结构能搭载不同的电池电量,分舱设计可有效保护电池的侧撞。
该种结构可见于宿佳敏[10-11]等人的专利中。其结构如图3所示。
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图3 大规格管梁式轻型电动轻卡结构一


在图3的结构基础上苏州奥杰汽车又进行了升级改进,设计了另外一种车架结构,如下图4所示,适合车长在6m以下货箱体积为12-16立方的货箱式物流车。采用该底盘车架的实车珠海银隆已经量产。该结构的的一个特点是横梁打断,纵梁从中段一直贯通至尾段,整个上层是一个片体,整车抗弯性能较好。在前后悬架固定点位置横梁采用直径60mm的圆管,将左右两个100mm×40mm×2.75mm的矩形管梁连接在一起。中段纵梁规格是60mm×40mm×2mm,加上其他规格的管梁,种类可达8种。
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图4 大规格管梁式轻型电动轻卡车架结构二


与上图结构类似的还有另外一种结构,该车架适合货箱体积5-8立方的6m以下箱式物流车。采用前置前驱布置方式,后段为平整的货箱,中部放置电池。该设计的原方案由苏州奥杰汽车设计,上汽大通目前有一款采用相似结构的物流车EV31已经量产运行。该结构可以说是图4结构的缩小版,适合货箱体积较小的需求。
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图5 管梁式轻型电动轻卡结构三


在图4车架的基础上,上车体的设计可以是一体式也可以是分体式,满足不同客户的多样性需求。如果采用铝合金车身骨架,还有利于整车减重。其外形如下图6所示。
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图6 不同形式的货箱结构示意图


综上所述,大梁式结构在拓展为电驱动时存在以下问题:电池无论侧挂还是中置,防水、防撞效果较差;当轴距变化时,悬架安装点变动,大梁需要重新开模定型,适应性不强;大梁和横梁的成型以及整个车架的铆接需要专门的设备,费用较大;在常规燃油轻卡车架基础上改进,缺乏针对电动物流车正向研发设计的经验和能力。
大规格管梁式焊接结构是在大梁式基础上的创新,针对电池的布置设计了中段电池仓的结构,是借鉴了纯电动客车以及公交车的设计经验,有效解决了电池防撞的问题;前后段使用较大规格的管梁,且在悬架固定位置使用了直径60mm的圆形管梁作为内横梁,整体结构本质上是大梁式结构的一种衍生。但由于管梁规格不一致,容易造成端面不齐,受力不好;各段缺少统一的模块化划分,且物料种类较多,生产制造存在一定的不便。

2 新型电动轻卡底盘车架
为解决以上问题,本文提出了一种新型电动轻卡底盘车架的设计方案。车架采用全承载骨架式结构,由高强度薄壁管梁焊接成型。设计合理的结构不仅能够引导整车力流的传递,同时具有强度高、重量轻、成本低以及空间利用率高等特点。相比于图4所展示的一代产品结构,新结构可减重60kg;车架所采用的管梁规格主要有40mm×40mm、40mm×30mm、30mm×30mm三种,有利于车间备料生产。其结构示意图如图7所示。
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图7 新型电动轻卡车架主框架组成示意图


该结构与图4结构最大的区别在于整个底架管梁规格比较统一且种类少,焊接端面整齐,整车力学性能较好。同时模块化的设计有利于平台产品的拓展,也提高了加工制造的效率。将横梁贯通,纵梁打断的设计可与车身骨架构成封闭环,提高了整车的抗扭转能力,同时便于制作定位。整车骨架结构如下图8所示。
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图8 新型电动轻卡整车骨架结构示意图


电动轻卡主要用途是物流配送,为满足法规中的行人保护和车辆后下部防护要求,在车架前后端设计有防护梁。材料均采用铝合金,代号为6061T6,材料屈服极限268Mpa,抗拉极限293Mpa。通过螺栓和车架主框架连接固定。其安装位置如下图9所示。
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图9 前、后防撞梁与车架连接结构示意图


车架主框架的前、中、后段三个总成,分别由若干分总成和散件构成。每个分总成构成一个模块,便于制造,分总成之间通过散件组合成一个大总成。其中前段总成模块划分如下图10所示。
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图10 主框架前段总成模块构成示意图


中段总成由前后三个格栅片组成,格栅间距的的变化可实现电池仓空间的变化,以匹配不同电池。可拓展为双层电池结构,两种形式结构如下图11所示。
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图11 中段电池仓单、双层电池结构示意图


通过调整组成主框架总成的格栅片位置,改变电池仓的大小,以满足匹配不同电池箱的需求。中段主框架模块划分可见下图。后段与前中段结构划分的原理一样。
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图12 主框架中段总成模块构成示意图


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图13 主框架后段总成模块构成示意图


以上为车架主框架的结构,其中单个分总成,以及分总成与分总成之间均为焊接,稳定可靠;各分总成在制作时为保证精度可制作专门的工装夹具,焊接完成后脱模。底盘的其他分系统如悬架、制动、转向、动力等系统支架分别根据布置位置及功能需要进行设计,之后在定位好的工装夹具中按照尺寸焊接在车架主框架上。
市场上大梁式结构的电动轻卡其车架与货箱一般是通过副车架相连接,副车架下端与主纵梁通过U形螺栓固定,上端与货箱的预埋螺母或者支架固定。其连接结构如下图14所示。
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图14 传统货箱与车架连接方式示意图


新型车架则不需如此复杂的连接结构,在车架上平面可直接铺竹胶地板或者PVC板,相比可减重约60kg。如果新型车架的上车体采用铝合金骨架,则对比传统的钢结构骨架则又可减重约50kg。综上所述,该新型车架具有较好的应用前景。
3 车架结构CAE分析
为了解该新型结构的性能,利用有限元分析软件Hypper mesh和Nastran,对其进行了固有模态,刚度和特定工况下的强度分析。
3.1 固有模态分析
根据振动系统理论,多自由度系统通常以某个固有频率振动时所呈现的振动形态称为模态。固有频率和振型向量是表示振动特征的重要参数[12]。
将CATIA完成的车架三维模型转为STP格式导入Hypper mesh中,进行几何清理。管梁采用薄壁结构,因此采用壳单元进行模拟。简化模型,忽略直径10mm以下的孔,将焊接以及螺接部位采用RBE2单元简化处理。完成后的有限元模型网格尺寸为10mm,总网格数为310250个,总节点数为632155个。
对车架赋予材料属性,如下表所示:
表1 桁架材料属性

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将处理好的网格模型导入Nastran求解器进行求解,结果如下图所示。
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图15 新型桁架1到6阶频率


其阶次及振型分析如下表所示。
表2 新型车架固有模态阶次频率

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从以上数据可知,新型车架的模态频率变化平稳,没有突变;一般路面不平引起的激励频率为1~20 Hz,新型车架一阶扭转模态为21.5Hz,避开了这个区间;载货车的前后悬架偏频在2~4.5 Hz之间,一阶模态也能避开;在匹配电机时,一般要求是车架固有模态要避开常用车速下频率。
3.2 刚度分析
在固有模态分析的基础上,对车架进行刚度分析,包括弯曲刚度和扭转刚度。弯曲刚度的约束条件是在前轴对应车架处左侧约束XYZ方向自由度,右侧约束XZ方向自由度。后轴对应车架处左侧约束YZ方向自由度,右侧约束Z方向自由度。在车架X向中间位置的横梁上施加竖直向下的力10000N,在Nastran求解器进行求解[13]。
计算结果为Z向最大位移为4.012mm。由此可得弯曲刚度为:
b30ee4181607ff6ac2043dfcba7893b8.jpg (1)
式中:dmax=车架最大变形量;
df=前轴位置桁架最大变形量;
dr=后轴位置桁架最大变形量;
扭转刚度的约束条件是在前轴中心处约束Z向自由度,后轴对应车架处左侧约束YZ方向自由度,右侧约束Z向自由度。在前轴施加扭矩 ea9d4f8fd3092d1b2cb6d33209d4e8fd.jpg 。在Nastran求解器进行求解。
计算结果为θ角度为2.14°,即0.3733rad。
df10173350298cb60b81d35377d8583f.jpg (2)
式中:F=m*g
m:前轴荷即前轮胎承载载荷1931Kg;
S:前轮距1565mm;
θ:车架轴间相对扭转角;
3.3 强度分析
强度分析的工况主要分为静载、垂向3g、0.8g制动、0.4g左右转向几种工况。该分析是整车的分析,需要提取关键节点载荷[14]。
静载工况主要模拟车辆在满载静止状态,或平坦路面高速直线行驶时产生的垂直振动对桁架所产生的弯曲载荷;垂向3g工况则是模拟整车在3倍重力加速度的情况下,桁架各部件的受力情况;0.8g制动工况是考察车辆以0.8g的制动加速度制动时,地面制动力对车架的影响;0.4g左右转向工况主要是考察当车辆以0.4g转向加速度转弯时,惯性力对车架的影响,分析车架所承受的最大应力。
在Nastran求解器中按照以上工况条件进行加载求解,将得到的数值作为结构优化改进的参考。

4 结论
目前电动物流车常见的底盘车架结构分别是大梁式和大规格管梁式焊接式,文章对其优缺点做了对比分析。并介绍了一种新型的电动轻卡底盘车架结构,其特点如下:
(1)采用管梁的规格种类较少,便于组织生产,模块化设计有利于提高生产效率。
(2)电池仓可设计为单、双层结构,满足不同电量的配置需求。前中后三段设计有利于车型的拓展。
(3)车架上平面直接铺地板的设计,相比传统货箱可减少不必要的连接件,有利于整车减重。
(4)底盘车架与货箱可构成全承载式结构,整车具备较高的强度。
(5)货箱可采用一体式和分体式两种设计,其材质不管采用钢结构还是铝合金,新型车架结构均可匹配。
该新型底盘车架为电动轻卡车架设计提供了一种设计思路和方案,有助于对电动物流车车架的正向开发设计。

参考文献
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